我室王亚教授等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作，在纳米尺度量子精密测量领域取得重要进展，首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。相关研究成果以“Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing”为题于北京时间11月27日在线发表在《Nature》杂志(DOI: 10.1038/s41586-025-09790-6)。
在微观世界中，电子的“自旋”是其基本属性之一，如同一个个微小的磁针。材料的许多宏观特性，如磁铁的磁性或超导体的零电阻，都源于这些微观“磁针”的排列与相互作用。探测单个自旋，对物质世界最基础的磁性单元进行测量，不仅能够为理解物性提供全新视角，更为发展单分子磁探测技术和推进量子科技奠定坚实基础。然而由于物质中含有大量自旋，对单个自旋的探测相当于在喧闹的体育场中清晰捕捉到某个人的窃窃私语，这对探测技术提出了前所未有的挑战。
金刚石氮 空位色心量子传感器，因其纳米级的分辨能力和高灵敏的磁探测能力，一直是实现单自旋探测的重要技术途径。本文研究团队朝向单自旋探测的科学目标，通过长期积累，发展出高精度的自旋量子调控技术[Nature 461, 1265 (2009)等]和金刚石量子传感核心器件与装备，在前期工作中已能通过频谱差异识别出那些带有特殊“标记”的单自旋[Science 347, 1135 (2015)等]。但是如何在复杂的背景噪声中，稳定捕捉任意单个自旋的微弱信号，仍是悬而未决的难题。这对传感器探测灵敏度与空间分辨率均提出了更高的要求。
理论上，量子纠缠是突破此瓶颈的可能途径，它能将探测精度逼近量子力学所允许的极限。尽管已有一些初步的原理验证工作，但如何在固态传感体系中实现有效的“纠缠增强”，在体系制备和操控方面均存在巨大的技术挑战。十多年来，研究团队着力于高品质金刚石量子传感器的自主制备，十年磨一剑，打通了涵盖二十多道环节的完整工艺流程，掌握了其中的关键工艺。通过材料制备与量子操控两条路径的协同创新，首次成功开发出纠缠增强型纳米单自旋探测技术，在固态体系中实现了对微观磁信号灵敏度与空间分辨率的同步提升，为纳米尺度量子精密测量技术的持续发展铺平了道路。
在材料制备上，研究团队利用自主研发的超纯金刚石生长（Science Advances 11, eadr9298 (2025)）与纳米精度定点掺杂技术（Science Advances 8, eabn9573 (2022)），成功制备出间距小至5纳米的氮-空位色心对结构。这种精确的空间控制，是实现后续量子纠缠增强探测的关键基础。在探测方法上，研究团队创造性地将一对色心制备成一种特殊的量子纠缠态。这种状态让它们能“无视”来自远端的相同背景噪声，同时协同“聚焦”并放大近端目标单自旋的独特信号(图1)。这一巧妙的策略，成功解决了“信号放大”与“噪声干扰”之间长期存在的矛盾，将空间分辨率提升了1.6倍。
图 1：纠缠态增强的纳米尺度单自旋传感示意图。其中绿色球体为待探测的单个目标自旋，红色球体为噪声自旋，蓝色球体为无自旋的原子（如12C）。单自旋传感器的有效传感面积较大，其内不可避免的存在其它噪声自旋。而纠缠态传感器能够聚焦传感区域，其内的自旋可以仅存在目标自旋，从而实现单个目标自旋信号的有效探测。
图 2：基于纠缠态增强的暗自旋探测实验。a. 中心位置制备有氮-空位色心对的金刚石纳米柱结构示意图。b. 不同传感器初态的相干时间对比，其中纠缠态展现出最长的相干时间。c. 通过使用纠缠态传感器分辨出周围两个暗自旋DS1和DS2的特征谱。d. 纠缠态传感器探测不同暗自旋时的相干相位演化。e. 纠缠态传感器对DS2进行探测时的灵敏度增益。f. 通过NV与暗自旋DS1构建纠缠传感器，对不稳定自旋信号进行持续监测。
这项突破性技术实现了三大重要进展：成功区分并探测到相邻的两个"暗"电子自旋；在嘈杂环境中将探测灵敏度提升至单传感器水平的3.4倍；能够实时监测并主动调控不稳定自旋的信号(图2)。该成果不仅实验验证了量子纠缠在纳米尺度传感中的优势与巨大潜力，也展示了金刚石量子传感器能够作为强大的纳米磁强计，为原子层面研究量子材料打开新窗口，将为凝聚态物理、量子生物学和化学等领域提供革命性的研究工具。相关金刚石氮空位色心的可控制备与量子纠缠调控技术也是朝向实现室温金刚石量子计算的关键基础。
我室博士研究生周旭和特任副研究员王孟祺为该论文共同第一作者。杜江峰院士和王亚教授为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、科技部等资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09790-6
